鴻圖嶂隧道突涌水預(yù)測(cè)及防治措施

羅依珍，成國(guó)文，尹利君，鄧皇適，譚 寧，劉真真

(1.廣東省有色礦山地質(zhì)災(zāi)害防治中心，廣東 廣州 510080；2.廣東省南粵交通大豐華高速公路管理中心， 廣東 梅州 514300；3.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

隧道涌突水問(wèn)題是目前超深埋、超長(zhǎng)隧道建設(shè)施工中最具危害性的地質(zhì)災(zāi)害之一[1-2]，不僅嚴(yán)重威脅隧道施工安全，還可能對(duì)周邊水資源環(huán)境造成極大影響。大多數(shù)山嶺隧道由于巖體地質(zhì)及地形條件的復(fù)雜性，導(dǎo)致常規(guī)勘查手段的前期勘察結(jié)果與后期施工情況存在較大的誤差。因此，在施工過(guò)程中，需要同步開展超前或補(bǔ)充勘探，提前預(yù)測(cè)掌子面前方的水文特征，保障后續(xù)施工安全進(jìn)行，減少隧道突涌水災(zāi)害的發(fā)生。

目前常用的隧道涌突水勘察方法有淺層地震折射波法、高密度電阻率法、直流電測(cè)深法等，這些方法在淺埋隧道勘察中取得了很好的效果[3-9]。國(guó)內(nèi)學(xué)者在涌突水預(yù)測(cè)研究方面有很多的研究成果，例如王應(yīng)吉等[10]采用核磁共振法對(duì)坑道中核磁激發(fā)場(chǎng)進(jìn)行研究，預(yù)測(cè)掌子面前方的水文特征；李勇橋等[11]采用高密度電法對(duì)礦井?dāng)鄬痈凰赃M(jìn)行探測(cè)；薛國(guó)強(qiáng)等[12]介紹了一種瞬變電磁隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)，很好的預(yù)測(cè)了隧道前方水文地質(zhì)特征。近年來(lái)，隨著算法的發(fā)展，很多學(xué)者采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)隧道前方涌突水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，楊卓等[13]基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法構(gòu)建了巖溶隧道突涌水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，結(jié)合超前預(yù)測(cè)提出了合理的支護(hù)方案，避免了隧道突涌水事故；袁青等[14]基于優(yōu)化FAHP-TOPSIS法對(duì)隧道斷層涌水進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明預(yù)測(cè)誤差較小，能滿足工程準(zhǔn)確預(yù)測(cè)精度要求；張凱等[15]基于可拓理論，建立了巖溶區(qū)隧道涌水風(fēng)險(xiǎn)的可拓評(píng)估模型，其在工程中的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際預(yù)測(cè)吻合較好。馮寶俊等[16]為提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，提出一種基于粒子群算法優(yōu)化的支持向量機(jī)(PSO—SVM)建立隧道水砂突涌量預(yù)測(cè)模型，對(duì)該隧道水砂突涌量進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果與實(shí)際突涌量一致，證實(shí)綜合粒子群算法和支持向量機(jī)優(yōu)勢(shì)的PSO—SVM方法預(yù)測(cè)精度較高。

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及隧道施工技術(shù)、施工工藝不斷提高，超深、超長(zhǎng)、超大隧道的工程也越來(lái)越多，特別是高山區(qū)深大斷裂帶、地下富水體、火山雜巖體等一系列構(gòu)造、巖性復(fù)雜地區(qū)，地質(zhì)勘察難度也隨之變大。通過(guò)傳統(tǒng)技術(shù)方法、手段獲取的勘察資料已不能滿足實(shí)際設(shè)計(jì)和施工的需要，勘察結(jié)果存在一定的模糊性和不確定性[17-20]。其突出表現(xiàn)在不能有效查明超深超長(zhǎng)隧道后續(xù)建設(shè)中可能遇見的各種突發(fā)的系列地質(zhì)問(wèn)題(如涌水量、斷層發(fā)育情況等)，前期地質(zhì)勘察成果如果與實(shí)際情況存在較大的差異，后續(xù)的隧道施工就會(huì)存在不可掌控的安全隱患。因此，準(zhǔn)確分析隧址區(qū)水文地質(zhì)條件，加強(qiáng)涌水補(bǔ)給來(lái)源的研究，對(duì)預(yù)防超深隧道涌突水災(zāi)害及隧道的安全運(yùn)營(yíng)具有重要的意義[21-22]。

在建鴻圖嶂隧道位于大(埔)豐(順)(五)華高速公路豐順至五華段，橫穿八鄉(xiāng)山，進(jìn)口端位于廣東省豐順縣湯西鎮(zhèn)，出口端位于五華縣郭田鎮(zhèn)，隧道軸線方向約285°，呈NW—SE向展布。采用分離式雙向四車道設(shè)計(jì)，其中左線全長(zhǎng)6 336 m，右線全長(zhǎng)6 350 m，最大埋深約740 m，為典型的超深埋特長(zhǎng)隧道[23]。隧道施工前期開展了遙感解譯、大比例尺工程地質(zhì)調(diào)繪、大量淺鉆及少量深鉆等工程地質(zhì)勘察，并進(jìn)行了專項(xiàng)水文地質(zhì)研究。前期工作對(duì)隧址區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)采用常規(guī)技術(shù)手段進(jìn)行了較詳細(xì)的論證，基本查明了隧址區(qū)淺部地質(zhì)巖性、斷層構(gòu)造及巖漿巖的分布特征，概略了解了深部地質(zhì)巖性。然而對(duì)本區(qū)蓮花山深大斷裂構(gòu)造、侵入巖接觸帶構(gòu)造的空間形態(tài)及其富水性研究較少，工作過(guò)多地側(cè)重了淺部地質(zhì)。導(dǎo)致勘察結(jié)果與隧道實(shí)際情況(構(gòu)造、水文)差異較大，施工中多次遭遇了遠(yuǎn)超預(yù)期的涌突水災(zāi)害，給施工人員的安全及施工進(jìn)度造成了極大影響。在此背景下，糾正前期工作存在的問(wèn)題，查明鴻圖嶂隧道涌突水的補(bǔ)給來(lái)源及途徑，有效指導(dǎo)施工設(shè)計(jì)，成為保證隧道施工安全，控制隧道建設(shè)成本的關(guān)鍵[24-25]。

為了查明引起鴻圖嶂隧道涌突水災(zāi)害形成的地質(zhì)背景，本文在全面、系統(tǒng)分析研究前期信息的基礎(chǔ)上，采用可控源音頻大地電磁法，輔以隧道地質(zhì)編錄、水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)等手段，對(duì)前期勘查存疑結(jié)論開展二次補(bǔ)充勘查工作以指導(dǎo)后續(xù)施工。通過(guò)施工前后信息比對(duì)，進(jìn)一步明晰與涌突水有關(guān)的斷層及巖性條件，更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)斷層構(gòu)造型涌突水災(zāi)害，為安全施工準(zhǔn)備提供預(yù)警，提前做好防治方案，并在相應(yīng)的區(qū)域開展注漿堵水工作，以保障后期施工安全順利進(jìn)行。

1 工程地質(zhì)概況及涌突水情況

1.1 工程地質(zhì)概況

結(jié)合補(bǔ)充地質(zhì)測(cè)繪和前期勘察結(jié)果可知，隧址區(qū)總體處于東、西蓮花山斷裂帶之間構(gòu)造隆起部位，穿越花崗巖與次火山巖接觸帶。該接觸帶呈NNE-NE走向，東側(cè)巖性為侏羅系中上統(tǒng)高基坪群(J2-3gj)流紋質(zhì)次火山熔巖及(次)流紋斑巖，西側(cè)為晚白堊系二長(zhǎng)花崗巖(ηγK2)，兩期花崗巖約在 K94+500處呈迭加侵入接觸關(guān)系，靠近出口一端為晚侏羅系二長(zhǎng)花崗巖(ηγJ3)，見圖1。

受北東向蓮花山斷裂影響，隧址區(qū)內(nèi)斷層構(gòu)造發(fā)育，走向以NE向?yàn)橹?，其次為NW向及近EW向。NE向斷層在遙感影像上呈線狀、束狀分布，地貌特征為溝壑、陡崖，沿220°～250°走向延伸1 000～3 000 m，斜切隧道軸線，多屬于蓮花山斷裂帶相平行的束狀斷裂，為本區(qū)域主要的控水導(dǎo)水構(gòu)造。隧道K91+186～340區(qū)段已揭露5條張性(寬15～30 cm)、產(chǎn)狀相近(230°～250°∠75°～80°)的小型平行斷層(F1、F2、F3、F4、F5)。其中F1斷層兩側(cè)巖脈(石英脈、二長(zhǎng)斑巖脈)發(fā)育、節(jié)理裂隙密集 (圖2b)。NW向及EW向斷層主要發(fā)育于接觸帶西側(cè)，規(guī)模相對(duì)較小，為與蓮花山斷裂有關(guān)的次級(jí)構(gòu)造，推測(cè)發(fā)育深度淺，富水性較差。

圖1 鴻圖嶂隧道地質(zhì)略圖Fig.1 Simplified geological map of the Hongtuzhang Tunnel

1.2 涌突水特征

根據(jù)井下水文地質(zhì)編錄，涌水特征大致如下：

(1)接觸帶東側(cè)，入口至K90+160段，為斑狀花崗巖，巖石較完整，局部發(fā)育小斷層。洞口測(cè)得最大涌水量為86 m3/h，涌水主要呈小規(guī)模淋雨?duì)?、滴雨?duì)?，局部呈線狀由裂隙涌出。K90+160～K91+186段，巖性為次流紋斑巖，巖石較完整，涌水僅見于部分裂隙，呈線狀淋雨?duì)?，測(cè)得最大涌水量153 m3/h。K91+186～K91+340段是主要的涌突水區(qū)段，巖性以流紋質(zhì)次火山熔巖為主，其次為后期侵入的二長(zhǎng)斑巖脈、石英巖脈(圖2a)。掌子面揭穿的5條北東向斷層及兩側(cè)裂隙是主要的涌水部位。涌水特點(diǎn)呈股狀，個(gè)別張性斷層呈管狀涌出。超前探水鉆孔顯示水壓極大，水流最大噴射距離12 m，入口左、右洞最大總流量3 997 m3/h，且衰減最長(zhǎng)超過(guò)30 d，為目前國(guó)內(nèi)隧道之罕見。涌水量與距離斷層帶、裂隙發(fā)育程度、后期巖脈侵入有密切關(guān)系(圖2)。尤其是當(dāng)火山熔巖中石英巖脈、二長(zhǎng)斑巖脈逐漸增多時(shí)，是接近斷層的地質(zhì)標(biāo)志，涌突水發(fā)生的可能性增大。涌水量曲線在水平方向上具有鋸齒狀變化的特征(圖3)。

(2)接觸帶西側(cè)，出口至K94+036段，巖性為二長(zhǎng)花崗巖，巖石總體上完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育。

圖2 施工掌子面裂隙發(fā)育特征Fig.2 Water gushing characteristics of the construction surface

圖3 K91+186～360段地質(zhì)條件-涌水量變化曲線Fig.3 Water inrush distribution with geological condition along the K91+186～364 section

1.3 涌水條件

隧址區(qū)接觸帶東側(cè)主要分布流紋質(zhì)次火山熔巖及(次)流紋斑巖，多期次的構(gòu)造作用、不同期次的巖脈侵入作用使次火山巖裂隙發(fā)育，NE、NW向斷層連通規(guī)模不一的裂隙、裂縫，尤其NE向斷層在縱深方向上進(jìn)一步連通各級(jí)裂隙，裂隙、斷層相互交織在一起形成一個(gè)規(guī)模較大、由上至下的地下水儲(chǔ)集空間[20]。各種構(gòu)造破碎帶相互聯(lián)系組成地下水徑流的最佳通道，且在局部控制了地下水徑流的方向。當(dāng)人為施工一旦開挖或擾動(dòng)，負(fù)壓條件下，掌子面附近或周圍一定范圍內(nèi)的地下水流場(chǎng)發(fā)生較大變化，以涌水點(diǎn)為中心形成降落漏斗[25]，進(jìn)而很快形成一個(gè)巨大的排水場(chǎng)，直接威脅施工人員的安全和井下的施工設(shè)施。

2 可控音頻大地電磁法

2.1 方法原理

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是在以往大地電磁法基礎(chǔ)上發(fā)展成的一種人工源電磁測(cè)深方法[26]。與常規(guī)電法相比，具有勘測(cè)深度大、抗干擾性強(qiáng)、野外效率高、地形條件影響較小、橫向分辨率較高等特點(diǎn)。在勘測(cè)中，根據(jù)電阻率值的大小和其在地下的展布形態(tài)區(qū)分富水異常體的空間分布[27]。

忽略位移電流，考慮絕大多數(shù)巖石和礦物的磁導(dǎo)率很小，令μ=μ0(空氣中的磁導(dǎo)率)，均勻半空間表面水平電偶源的遠(yuǎn)區(qū)電磁場(chǎng)近似為：

(1)

(2)

式中：I——供電電流強(qiáng)度/A；

r——收發(fā)距/m；

ρ1——介質(zhì)的電阻率/(Ω·m)；

θ——r方向與AB間夾角/(°)。

由Ex和Hy分量定義的卡尼亞視電阻率為：

(3)

式中：f——頻率/Hz。

可控源音頻大地電磁法采用標(biāo)量測(cè)量方式，采集相互正交的Ex和Hy分量，計(jì)算得到卡尼亞視電阻率。通過(guò)資料處理和二維反演，獲得電阻率—深度斷面。分析反演結(jié)果，圈定異常，與前期勘查結(jié)果及鉆孔資料比對(duì)；解釋地層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造發(fā)育特征，明晰涌突水潛在區(qū)域，達(dá)到超前探測(cè)的目的。

2.2 圈定異常的判據(jù)

本區(qū)域典型的地質(zhì)特點(diǎn)為：鴻圖嶂隧址區(qū)東側(cè)廣泛分布孔隙率較高的次火山熔巖；與北東向蓮花山斷裂帶有關(guān)的束狀平行斷層發(fā)育；晚期石英巖脈、二長(zhǎng)斑巖脈侵入，因高溫冷縮形成較大范圍的脆性巖石節(jié)理裂隙帶。這些基本特征，是本區(qū)深部形成較大地下水儲(chǔ)集空間的主要因素，可引起巖石電阻率的明顯變化。一般表現(xiàn)為明顯的低阻異常，物探斷面上以高阻、低阻交替帶，電阻率等值線突變帶為特征。構(gòu)造、巖石的富水性越好，電阻率值越低。

2.3 測(cè)線布置

在隧址區(qū)地表布設(shè)3條可控源音頻大地電磁測(cè)量剖面(圖1)，Wt1和Wt2測(cè)線位于隧道中軸線正上方，為隧道已開挖地段，用于驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果；受地形影響，偏移隧道中軸線200～400 m，布設(shè)Wt3測(cè)線。結(jié)合已有資料和Wt3測(cè)線的勘查結(jié)果，推測(cè)解釋隧址區(qū)未開挖地段深部構(gòu)造與涌水問(wèn)題[28]。

3 勘探結(jié)果分析及涌突水段預(yù)測(cè)

3.1 反演結(jié)果分析

利用可控源音頻大地電磁法沿Wt2、Wt3測(cè)線進(jìn)行測(cè)量，對(duì)結(jié)果進(jìn)行反演計(jì)算分析，結(jié)果顯示(圖4):

(1)K89+400～K90+815段位于隧道入口端，二長(zhǎng)花崗巖和(次)流紋斑巖兩者從電阻率值上難以區(qū)分；在圖4中可以看到，隧道施工中揭示的裂隙，裂隙發(fā)育帶與圍巖電阻率差異小，其富水性差，與施工揭示的情況吻合。

(2)在K91+500處，電阻率斷面圖上存在近垂直的等值線突變帶，與地面調(diào)繪確定的次火山巖和花崗巖的巖性界線保持一致。接觸帶以東區(qū)域，因構(gòu)造作用及巖漿侵入作用影響，次火山巖電阻率值明顯低于K90+815段相應(yīng)巖性的電阻率值，應(yīng)是孔隙、裂隙發(fā)育且富水的表征。

(3)在K91+000～300段，電阻率明顯低于其他位置，通過(guò)后續(xù)開挖揭露，此處發(fā)生了與斷層有關(guān)的多處涌突水災(zāi)害，發(fā)現(xiàn)物探低阻異常與隧道現(xiàn)有涌水位置有一定的吻合性，證明可控源音頻大地電磁法勘探中，低阻區(qū)域很可能為斷層水儲(chǔ)位置，開挖低阻異常區(qū)域時(shí)，應(yīng)提前做好防治準(zhǔn)備。

(4)在K92+250～K94+000段，隧道相應(yīng)位置存在大片低阻異常，應(yīng)是多條傾向相同和相反的斷層共同作用的結(jié)果，該處多段花崗巖破碎、富水性強(qiáng)，隧道開挖時(shí)極易發(fā)生涌突水事件，應(yīng)提前采取相應(yīng)的控制措施加以預(yù)防。

(5)K94+000至隧道出口，隧道位置處花崗巖較完整，僅在K95+800處裂隙發(fā)育，隧道處電阻率值表征其富水性較差，與隧道開挖獲得的認(rèn)知一致。

圖4 CSAMT-Wt3剖面和CSAMT-Wt2剖面電阻率-高程斷面圖Fig.4 Frequency-apparent resistivity distribution in the CAMT-wt3 cross section and CAMT-wt2 cross section

3.2 涌突水段預(yù)測(cè)

根據(jù)可控源音頻大地電磁低阻體異常與實(shí)際涌水區(qū)段的類比發(fā)現(xiàn)，二者具有一定的可比性。通過(guò)開挖，在左洞ZK91+340～450出現(xiàn)了與構(gòu)造有關(guān)的較大涌突水，驗(yàn)證了物探及地質(zhì)預(yù)測(cè)部位。

斷層構(gòu)造的延伸特點(diǎn)，可以通過(guò)左、右洞的施工情況，相互指證。故結(jié)合地質(zhì)調(diào)查成果及異常區(qū)段的劃分，可以預(yù)測(cè)未來(lái)待施工的區(qū)段仍有5處存在較大涌突水可能：K91+360～K91+600、K91+900～K92+000、K92+200～600、K92+800～K93+000、K93+200～K93+050。相應(yīng)的深部施工結(jié)果表明，這些構(gòu)造判別具有可借鑒性。預(yù)測(cè)區(qū)段長(zhǎng)度及依據(jù)見表1。

表1 預(yù)測(cè)涌突水區(qū)段

4 涌突水防治方案

4.1 施工措施

隧道掌子面前方的隔水巖層一般是防止涌突水災(zāi)害發(fā)生的一道重要的安全屏障[29]。準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)涌突水災(zāi)害源及富水構(gòu)造，可為設(shè)計(jì)合理的整治措施，降低施工成本，提高生產(chǎn)效率提供依據(jù)[30]。

結(jié)合前期勘察及后期補(bǔ)充勘探成果，總結(jié)鴻圖嶂隧道的涌突水特征及規(guī)律。在綜合研判掌子面前方水文條件及構(gòu)造條件的前提下，對(duì)探水鉆孔已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的涌突水部位，采用全斷面超前帷幕注漿堵水方案，以達(dá)到安全掘進(jìn)和限量排放水的目的。通過(guò)超前預(yù)注漿，在掘進(jìn)工作前方30～40 m范圍內(nèi)形成一個(gè)較為完整的注漿帷幕。注漿帷幕加固范圍為開挖輪廓線外8 m，用于封堵前方涌水。利用開挖初支后形成的噴漿層作為止?jié){層，再利用鑿巖機(jī)向周邊圍巖營(yíng)造5 m深的注漿孔，用以實(shí)施隧道周邊圍巖的徑向注漿，以充填初次開挖后噴漿層與圍巖之間的縫隙、充填周邊圍巖5 m范圍內(nèi)的巖層原生裂隙和次生裂隙。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在未完全封堵的情況下，實(shí)測(cè)右洞K91+169掌子面靜水水壓為4.3 MPa，因受同一斷層影響，左洞涌水與右洞涌水情況類似。按照“封閉止?jié){墻、關(guān)水試壓、頂水注漿，注漿作業(yè)”的原則對(duì)隧道洞身及開挖輪廓線外8 m范圍進(jìn)行加固。單循環(huán)施工順序?yàn)樾顾滓訌?qiáng)止?jié){墻后方初期支護(hù)→施作止?jié){墻→加固止?jié){墻→止?jié){墻閉水壓力試驗(yàn)→施做全斷面帷幕注漿→掌子面開挖掘進(jìn)→徑向后注漿堵水→超前探水→下一個(gè)循環(huán)。

單循環(huán)帷幕注漿長(zhǎng)度40 m，布設(shè)15，23，31，40 m四個(gè)終孔斷面，每循環(huán)共計(jì)布設(shè)注漿孔164個(gè)，開挖35 m，預(yù)留5 m止?jié){巖盤。注漿加固范圍為隧道全斷面開挖輪廓線外8 m，漿液擴(kuò)散半徑2 m。全斷面帷幕注漿孔位布置見圖5。

圖5 全斷面帷幕注漿布置圖Fig.5 Grouting layout of full-section curtain

4.2 施工效果

施工結(jié)果表明：①對(duì)在建隧道要現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)總結(jié)涌突水規(guī)律，查明其地質(zhì)控制因素，再結(jié)合物探異常特征，可有效預(yù)測(cè)待開挖地段的涌突水位置(如K91+360～K91+600的成功預(yù)測(cè))，為施工安全及防治措施準(zhǔn)備提供了依據(jù)。②全斷面超前帷幕注漿堵水方案能對(duì)斷層裂隙進(jìn)行有效封閉(圖6)，從而減小甚至阻斷開挖后的涌水，保證施工安全進(jìn)行。目前的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，采用本方案對(duì)前序勘測(cè)預(yù)計(jì)的涌水區(qū)段進(jìn)行的提前防治，使得隧道施工過(guò)程中涌水量及涌水情況大大減小，極大減小了施工風(fēng)險(xiǎn)，提高了整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)性。

圖6 帷幕注漿Fig.6 Curtain grouting on site

5 結(jié)論

通過(guò)可控源音頻大地電磁勘探應(yīng)用、現(xiàn)場(chǎng)封堵施工的實(shí)例及驗(yàn)證情況，得出以下結(jié)論：

(1)可控源音頻大地電磁測(cè)探法能很好地適應(yīng)山嶺隧道勘測(cè)要求，對(duì)深部含水?dāng)鄬蛹案凰鹕綆r中的裂隙密集帶反應(yīng)較靈敏。

(2)結(jié)合鴻圖嶂隧址區(qū)可控源音頻大地電磁法勘探結(jié)果與和地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出可能發(fā)生的涌突水災(zāi)害區(qū)域左洞ZK91+340～450，并獲得驗(yàn)證。在預(yù)測(cè)成果的基礎(chǔ)上，采用全斷面超前帷幕注漿堵水技術(shù)能較好地控制隧道涌突水，保證了隧道施工順利進(jìn)行，降低了因隧道涌突水造成的不必要損失。